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1MWth热管熔盐空间堆堆芯物理特性：多维度解析与前沿探索

一、引言

1.1研究背景与意义

随着人类对宇宙探索的不断深入以及深海开发等领域的拓展，对可靠、高效、安全的能源供应提出了迫切需求。空间核反应堆电源凭借其功率范围广、比功率高、寿命长、环境适应性好且不依赖阳光等诸多优点，已成为未来空间探索和深海作业最具潜力的动力能源之一。在众多空间核反应堆类型中，热管冷却反应堆采用非能动传热技术，无需泵驱动，具有结构紧凑、固有安全性高等突出优势，因而备受国内外研究者的广泛关注。

热管是一种依靠内部工质相变和连续循环来实现高效热量传输的非能动换热元件，具有传热效率高、热流方向可逆、结构紧凑以及能有效隔离一二次侧流体等特点。近年来，将热管技术应用于新型反应堆设计已成为核能领域的主要研究趋势之一。热管反应堆堆型主要涵盖液态堆和固态堆，其中固态堆如美国国家航空航天局（NASA）的Kilopower空间堆、热管火星/月球探测反应堆（HOMER）、Megapower核反应堆、热管分段热电模块转换器（HP-STMCs）空间堆等；液态堆则包括铅冷堆、钠冷堆、熔盐堆等。

熔盐堆作为第四代先进反应堆的重要堆型之一，以高沸点熔盐作为核燃料的熔融载体，具备高温输出、常压运行、固有安全等显著特性。在安全性、资源可持续利用和环保等方面，熔盐堆展现出了卓越的先进性和强大的竞争力，是世界各国竞相推进商业化部署的第四代堆型。基于温差发电的热管熔盐堆，巧妙地融合了熔盐堆、热管和温差发电的优势，不仅具有输出温度高、热电转换效率高、结构简单、安全可靠等优点，还具有良好的可操控性和优异的热瞬态反馈性能，同时对保养的要求最低。这使得热管熔盐堆能够灵活地应用于深海、陆基核电站以及外太空等多种应用场景，在能源系统领域具有极大的发展潜力，对我国的科技进步和能源发展战略具有深远的意义。

1MWth热管熔盐空间堆在航天等领域具有广阔的应用前景。在航天领域，它可为深空探测器、空间站等提供稳定、持久的电力支持，满足其长期运行的能源需求，助力人类更深入地探索宇宙奥秘。在深海探测方面，能够为深海探测设备提供可靠的能源，支持设备进行长时间、大范围的深海探测和研究工作。然而，要实现1MWth热管熔盐空间堆的高效、安全运行，深入研究其堆芯物理特性至关重要。堆芯物理特性直接关系到反应堆的功率分布、反应性控制、安全性等关键性能指标。通过对1MWth热管熔盐空间堆堆芯物理特性的研究，可以优化堆芯设计，提高反应堆的性能和安全性，为其工程应用提供坚实的理论基础和技术支持。例如，准确掌握堆芯的功率分布情况，有助于合理设计堆芯结构和冷却系统，确保堆芯在运行过程中温度分布均匀，避免局部过热等问题的出现；深入研究反应性控制特性，能够开发出更加有效的反应性控制策略，保证反应堆在各种工况下都能稳定、安全地运行。对1MWth热管熔盐空间堆堆芯物理特性的研究具有重要的现实意义和工程应用价值，是推动该技术发展和应用的关键环节。

1.2国内外研究现状

在国际上，美国在热管熔盐空间堆的研究方面处于领先地位。美国国家航空航天局（NASA）对热管技术在空间堆中的应用开展了大量研究，如Kilopower空间堆项目，虽并非热管熔盐堆，但在热管应用于空间堆的设计、运行和安全分析等方面积累了丰富经验。在熔盐堆领域，美国也进行了许多研究工作，对熔盐堆的物理特性、热工水力特性等有深入研究成果，这些成果为热管熔盐空间堆的研究提供了一定的理论基础。

俄罗斯在空间核反应堆技术方面也有深厚的技术积累，在热管冷却反应堆以及熔盐堆相关技术研究上投入了大量资源，在反应堆物理计算方法、材料研发等方面取得了一些成果，其研究成果对国际上热管熔盐空间堆的研究具有一定的参考价值。

近年来，国内众多科研机构和高校也对热管熔盐空间堆展开了广泛研究。中国科学院上海应用物理研究所对熔盐堆的物理特性、热工水力特性以及热管与熔盐的耦合传热特性等进行了深入研究。通过理论分析、数值模拟和实验研究等手段，在熔盐堆堆芯物理设计、热管传热性能优化等方面取得了一系列成果。例如，提出了适用于熔盐堆的热管-温差发电耦合系统结构，并通过传热仿真模拟验证了其可行性，为热管熔盐堆的工程应用提供了重要参考。

西安交通大学针对热管堆的堆芯核热特性开展了研究，利用蒙特卡罗软件OpenMC与有限元分析软件COMSOL，对兆瓦级热管反应堆堆芯的核热特性进行研究，分析了堆芯轴向和径向功率分布、热管失效对堆芯温度的影响等，为热管堆的设计和安全分析提供了技术支持。

尽管国内外在热管熔盐空间堆堆芯物理特性研究方面已取得了一定的成果，但仍存在一些不足和待解决的问题。一方面，对于热管熔盐空间堆堆芯物理特性的多物理场耦合问题，如中子输运、热传导、热对流以及相变传热等多物理过程之间